[发明专利]一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置及方法

说明书

本发明公开了一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置及方法，包括：热成形机床、榫头夹持夹具、扭转夹具及变形限制模具；热成形机床的上、下工作平台均由加热层、耐热陶瓷层及水冷层组成，榫头夹持夹具用于夹持叶片毛坯的榫头，固定于热成形机床内，扭转夹具用于夹持叶片的叶身；扭转夹具的旋转轴与热成形机床的上、下工作平台的台面平行；变形限制模具安装在变形限制模具固定板上，变形限制模具固定板通过下顶杆与下升降台连接。本发明适用于不同扭转角度及外形尺寸的叶片高温扭转成形，能够保障扭转后叶片精确装配于后续精整成形模具中。

技术领域

本发明属于叶片精密塑性成形技术领域，具体指代一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置及方法。

背景技术

高性能航空发动机是现代航空工业发展的重要基础，宽弦空心风扇叶片能够有效提升航空发动机性能，实现高推重比、大推力、低油耗航，其精密成形技术是现今航空发动机制造领域的关键技术之一。由于航空发动机宽弦空心风扇叶片拥有复杂的空间曲面形状，且内部为空心结构，成形困难，采用机械加工、增材制造方法均无法实现其精确制造。结合机械加工，采用扩散连接-高温扭转-高温冲压-高温气胀塑性成形工艺路线，能够有效、精确成形出复杂结构空心叶片。由于空心叶片往往具有较大的扭转角度，空心叶片毛坯无法直接装配在高温冲压模具中进行冲压成形。通过高温扭转工艺可以获得具有一定扭转角度的过渡形状叶片毛坯，从而使得叶片能够安装在模具内进行后续冲压成形。高温扭转过程中，由于除扭转夹持部位外叶片其他部位材料变形无模具限制，易出现过变形及局部变形不充分现象。过变形一方面会造成扭转后叶片局部与高温冲压模具干涉，使得叶片而不能在模具中精确定位，另一方面还会引起局部过渡减薄而材料不足，最终导致零件报废。为实现空心叶片的扭转预成形，需要设计并制造专门的高温扭转设备，并精确控制、优化扭转中心、角度、速度及温度等相关工艺参数。目前，针对外形复杂的航空发动机空心风扇叶片的高温扭转成形方法及装备主要采用的形式有：

（1）夹持叶片榫头，推动叶片进入带有扭转型面模具的开孔模腔进行推弯成形。中国发明专利申请号为CN201310508213.0，名称为“一种空心叶片推弯成形工艺”中提出了一种高温下推弯成形工艺及推弯成形模具，通过夹持叶片榫头将叶片推入模具型腔使其受迫弯曲而扭转变形，然而在此工艺过程中叶片未进入模具部分变形不受控制，且叶片向前推弯过程中所受阻力较大，叶片易压缩失稳而导致无法成形。

（2）通过夹具夹持叶片榫头端及叶尖端，榫头端固定，叶尖端旋转从而带动叶身变形实现扭转。中国发明专利申请号为CN201510600373.7，名称为“一种叶片扭转试验装置”中公开采用夹持叶片两端的方式，可以在高温下实现叶片的精确小角度扭转，适用于实验室叶片性能扭转测试，无法应用于大扭转角空心叶片的扭转成形生产应用。中国发明专利申请号为CN201410809328.8，名称为“一种用于叶片成形的扭转炉”中公开应用两端夹持方法可以在真空炉内对叶片进行大角度高温扭转。通过两端夹持方式能够实现叶片夹持部位的精确高温扭转成形，但是叶片中间部分在扭转过程中没有夹具进行变形限制，在两端变形带动下极易造成局部变形不充分以及过变形，从而导致扭转后叶片无法精确定位于高温冲压成形模具中，而且过变形能够致使局部材料不足，无法成形。

（3）基于离散化成形方法，采用多套夹具分别对叶片多个截面或者多个点阵式区域进行扭转成形。中国发明专利申请号为CN201510122613.7，名称为“空心叶片多截面同步扭转成形方法”中公开了在多个截面内通过推杆式扭转装置能够实现叶片不同截面扭转变形的精确控制。中国发明专利申请号为CN201710895074.X，名称为“一种空心叶片多点同步热扭转成形装置及成形方法”中公开了将叶片扭转区域离散为点阵空间，通过点阵式冲头装置可以实现叶片多区域同时扭转。然而，多截面或者多点成形方法需要控制多个驱动装置协同工作，各扭转装置根据各自对应区域的变形情况设计加载过程，而未曾考虑相邻区域的协调变形，在扭转过程各易相互干涉而导致局部变形缺陷，最终无法成形叶片。

发明内容